способ контроля состояния водозащитной толщи на месторождениях калийных солей

Формула изобретения

1. Способ контроля состояния водозащитной толщи на месторождениях калийных солей, заключающийся в создании наблюдательной сети, последовательном отборе и анализе проб на ⁴⁰ Ar, отличающийся тем, что перед началом отработки запасов месторождения измеряют характерные для данного месторождения концентрации ⁴⁰Ar в приземном слое атмосферы путем анализа проб воздуха с использованием метода лазерной спектроскопии по профилям, равномерно распределенным по площади сдвижения горных пород принятого к отработке участка месторождения, причем количество профилей n и число фиксированных замеров по каждому из них n ₀ определяют на базе планирования эксперимента и рассчитывают среднестатистическую характерную концентрацию ⁴⁰Ar с заданным уровнем отклонения от измеренных значений характерных концентраций ⁴⁰Ar и достаточно высокой вероятностью их получения, причем при фиксации концентрации ⁴⁰Ar на любом из профилей больше среднестатистической характерной концентрации после начала отработки запасов месторождения очистную выемку останавливают и выполняют горно-геомеханические исследования применительно к конкретному участку с запрогнозированной аварийной ситуацией и разрабатывают горнотехнические мероприятия, исключающие затопление всего шахтного поля калийного рудника.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пробы воздуха измеряют дистанционно с летательного средства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу и дает возможность вести контроль за условиями разработки и эксплуатации месторождений калийных солей путем выявления проницаемых участков в водозащитной толще и соответственно прогнозирования возможных разрушений этой толщи вплоть до возникновения чрезвычайных и катастрофических ситуаций.

Известен способ мониторинга аномальных зон водозащитной толщи на калийных рудниках (патент РФ №2257472, Е21С 41/20, опубл. 27.07.2005, бюлл. №21).

При вскрытии горными выработками аномальной зоны производят ее детальное геологическое описание, изучают электро- и сейсморазведочными методами и выявляют степень ее опасности. Определяют сеть и частоту режимных геофизических наблюдений. После начала процессов расслоения и обрушения пород кровли в боковой стенке горной выработки, пройденной в аномальной зоне по верхнему отрабатываемому пласту, производят бурение горизонтальных шпуров длиной 1 м и при расстоянии между ними, колеблющемся в зависимости от размеров и степени опасности аномалии от 10 до 100 м. Устанавливают в призабойной части шпуров термометры для измерения температуры соляных пород. При понижении температуры на 10-20 процентов, свидетельствующем о начале процессов проникновения в соляную толщу холодных подземных вод из вышележащих водоносных горизонтов и растворения в них солей, уточняют местоположение и конфигурацию области развития данных процессов и далее начинают подготовку к осуществлению мероприятий по ликвидации в горных выработках возможных рассолопроявлений. Недостатком данного способа являются сложность и высокие трудовые затраты на проходку выработок и на бурение шпуров, а также необходимость визуального наблюдения за термометрами.

Известен способ геохимического контроля проницаемости водозащитной толщи на месторождениях калийных солей, принятый за прототип (патент РФ №2123194, G01V 9/00, G01V 9/02, опубл. 10.12.1998). Сущность изобретения: проводят бурение наблюдательных скважин, отбор проб воды из этих скважин и выделение растворенных в воде газов. Для повышения достоверности данных о проницаемости водозащитной толщи бурение наблюдательных скважин проводится глубиной до первого водоносного горизонта, отбор проб воды из каждой скважины производится многократно и последовательно во времени, а в отобранных пробах газа определяют содержание метана и водорода, а также изотопное отношение аргон-40/аргон-36, причем при величине изотопного отношения более 296 делают заключение о нарушении целостности водозащитного слоя, а при увеличении концентрации метана и водорода более 0,2 об.% делают заключение о начале растворения соляных пластов. Недостатками данного способа являются сложность и высокая стоимость, вызванная необходимостью бурения серии наблюдательных скважин, а также большая трудоемкость отбора проб из каждой из них.

Техническим результатом изобретения является упрощение операций способа и снижение затрат на контроль состояния водозащитной толщи за счет исключения из операций способа бурения скважин и отбора проб из каждой них.

Технический результат достигается тем, что в способе контроля состояния водозащитной толщи на месторождениях калийных солей, заключающемся в создании наблюдательной сети, последовательном отборе и анализе проб на ⁴⁰Ar, согласно изобретению перед началом отработки запасов месторождения измеряют характерные для данного месторождения концентрации ⁴⁰Ar в приземном слое атмосферы путем анализа проб воздуха с использованием метода лазерной спектроскопии по профилям, равномерно распределенным по площади сдвижения горных пород принятого к отработке участка месторождения, причем количество профилей n и число фиксированных замеров по каждому из них n₀ определяют на базе планирования эксперимента, и рассчитывают среднестатистическую характерную концентрацию ⁴⁰Ar с заданным уровнем отклонения от измеренных значений характерных концентраций ⁴⁰Ar и достаточно высокой вероятностью их получения, причем при фиксации концентрации ⁴⁰Ar на любом из профилей больше среднестатистической характерной концентрации после начала отработки запасов месторождения очистную выемку останавливают и выполняют горно-геомеханические исследования применительно к конкретному участку с запрогнозированной аварийной ситуацией и разрабатывают горнотехнические мероприятия, исключающие затопление всего шахтного поля калийного рудника.

Технический результат достигается также тем, что пробы воздуха измеряют дистанционно с летательного средства.

Применение предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом позволяет упростить операции способа и снизить затраты на контроль состояния водозащитной толщи за счет исключения из операций способа бурения скважин и отбора проб из каждой из них.

Способ контроля состояния водозащитной толщи на месторождениях калийных солей поясняется схемами, на фиг.1 показан вертикальный разрез месторождения, на фиг.2 показан возможный план разбивки зоны сдвижения горных пород на наблюдательные профили, где:

1 - водозащитная толща (ВЗТ);

2 - калийное месторождение (калийный пласт);

3 - отработанное пространство в пределах горного отвода (горный отвод (ГО) - часть недр, предоставляемая предприятию для промышленной разработки содержащихся в ней полезных ископаемых);

А₁А₂ А₃А₄ - площадь сдвижения горных пород принятого к отработке участка месторождения, размеры которой зависят от углов сдвижения и глубины залегания Н калийного пласта 2;

С ₁С₂С₃С ₄ - зона опускания поверхности, размеры которой зависят от углов разрыва горных пород ₁ и глубины залегания Н калийного пласта 2;

Н - глубина залегания калийного месторождения 2;

- углы сдвижения горных пород, зависят от физико-механических свойств вмещающих горных пород, например от крепости по шкале проф. М.М.Протодьяконова;

₁ - углы разрыва горных пород, зависят от физико-механических свойств вмещающих горных пород, например от крепости по шкале проф. М.М.Протодьяконова.

Разработка калийных месторождений обладает спецификой, определяемой как свойствами солей (в основном растворимостью в воде и ненасыщенных рассолах), так и свойствами вмещающих (налегающих) пород, характеризуемых как породы ВЗТ 1. Отмеченное обусловливает специальные требования к применению на таких месторождениях соответствующих систем разработки и способов управления горным давлением в выработках, а следовательно, и сохранности сплошности (непроницаемости) ВЗТ 1. Следует отметить, что с данной проблемой аварийности на калийных (соляных) рудниках - их затопляемостью связаны до 50% подобных предприятий. Регионально-безаварийный режим (применительно к калийному руднику в целом в пределах горного отвода (ГО), и земельного отвода, в простом случае определяемого размерами А₁А₂А ₃А₄ - площади сдвижения горных пород принятого к отработке участка месторождения, см. фиг.1 и 2)) может быть обеспечен только в случае сохранения целостности (водонепроницаемости) ответственного элемента налегающего массива - так называемой водозащитной толщи 1 (ВЗТ) (см., например: Пермяков Р.С., Ковалев О.В., Пинский В.Л. и др. Справочник по разработке соляных месторождений. М.: Недра, 1986; Ковалев О.В., Ливенский B.C., Былино Л.В. Особенности безопасной разработки калийных месторождений. Минск: Полымя, 1982). Непроницаемость ВЗТ 1 обеспечивает незатопляемость калийного рудника при его эффективно-безопасной эксплуатации в пределах всего срока службы подземного предприятия. Аварийная ситуация для рудника - это нарушение сплошности ВЗТ 1. Нарушение функционально может быть связано как с технологиями, так и с природными (геологическими) факторами. В первом случае сплошность ВЗТ 1 может быть нарушена по причине несоответствия технологии ведения горных работ требованиям (нормативным, проектным) положений управления состоянием вмещающего калийный пласт (пласты) массива. Во втором - при наличии в пределах ГО невыявленных разведочными работами геологических нарушений различного типа.

До начала ведения очистных работ в пределах А₁А₂А ₃А₄ - площади сдвижения горных пород принятого к отработке участка месторождения шахтного поля рудника (или ранее, например после получения лицензии на отработку запасов в пределах конкретного горного отвода) осуществляют "прогнозное профилирование" площади ГО по специально разработанной методике с целью установления характерных концентраций в "приземных" (˜50 см) слоях воздуха радиогенного компонента ⁴⁰Ar. Из характерных концентраций ⁴⁰ Ar рассчитывают среднестатистическую характерную концентрацию ⁴⁰Ar (в пространстве и времени) с заданным уровнем отклонения от измеренных значений и достаточно высокой вероятностью их получения.

При нарушении сплошности ВЗТ 1, вызванной разработкой калийного месторождения 2 и образованием выработанного пространства 3 в процессе отработки шахтного поля продуцируемый в пластах калийных солей ⁴⁰ Ar (из-за преобразования ⁴⁰К в ⁴⁰Ar) фильтруется в атмосферу, где его концентрация непрерывно возрастает. Несмотря на способность ⁴⁰Ar растворяться в воде, активная его фильтрация в горных породах помимо отмеченного факта подтверждается макрохарактеристиками глобального содержания стабильных изотопов Ar в атмосфере, земной коре и воде, соответственно составляя: ˜94,579%; ˜0,975%; ˜4,445% (по массе). При этом атмосферный аргон больше, чем на 99% представлен ⁴⁰Ar (см., например, источники: Фастовский В.Г., Ровинский А.Е., Петровский Ю.В. Инертные газы. М., 1964; Финкельштейн Д.Н. Инертные газы. М., 1961; Бердоносов С.С. Инертные газы вчера и сегодня. М., 1966).

Способ включает дистанционное опробование и измерение среднестатистического характерного содержания ⁴⁰Ar, определяемых с использованием метода лазерной спектроскопии, по n профилям в пределах ГО калийного рудника до начала отработки им запасов калийного месторождения 2. Параметр n определяют на базе положений теории вероятностей и теории ошибок, принимая возможность определения концентрации ⁴⁰Ar в "приземном слое" с ошибкой не более (0,1÷0,3)% по объему и надежностью 90%. Надежность должна быть достаточно высокой для обеспечения высокой эффективности прогнозирования разрушения ВЗТ 1. Зондирование площади ГО по профилям n осуществляют применительно к среднестатистическим климатическим условиям конкретного калийного месторождения. Число фиксированных замеров по n₀ каждому профилю n определяют на базе планирования эксперимента. Полученные с помощью метода лазерной спектроскопии данные о пробах воздуха и характерных концентрациях ⁴⁰Ar до начала отработки калийного пласта 2 являются исходными для проведения мониторинга состояния ВЗТ 1 в процессе отработки запасов солей в пределах ГО калийного месторождения 2. Измерения и анализ проб воздуха возможно осуществлять дистанционно с летательного средства, оборудованного комплексом, включающим, например, инфракрасный лазер.

Мониторинг может проводиться как интегрированно - по всему комплексу n профилей наблюдений, так и дифференцированно - по некоторому количеству профилей или по любому из профилей n, установленному на основании специального горно-геомеханического анализа состояния пород налегающего массива. В этой части массива превалирующим образом анализируется состояние пород ВЗТ 1.

При наличии данных (по любому виду мониторинга) о превышении текущих характерных концентраций ⁴⁰Ar по профилям n с числом фиксированных замеров n₀ над его рассчитанной среднестатистической характерной концентрацией ⁴⁰Ar для данного месторождения горно-геомеханическими методами устанавливают опасную (прогнозируемую к прорыву вод надсолевого комплекса - выше ВЗТ 1) зону в пределах отработанного пространства 3 - шахтного поля калийного рудника.

В связи с возможностью получения более ранней фиксации прогнозируемых признаков нарушения сплошности ВЗТ 1, когда проникновение воды в рабочие горизонты практически исключено, возможна эффективная разработка и реализация горных мер по надежной изоляции прогнозно опасного участка шахтного поля калийного пласта 2 от остальных его площадей (включая изменение способов управления горным давлением в окрестностях опасной по прорыву вод зоны), сохраняя тем самым калийное предприятие как эффективно функционирующее.

Способ контроля состояния водозащитной толщи на месторождениях калийных солей осуществляют следующим образом. Перед началом отработки запасов калийного пласта 2 на поверхности в пределах площади сдвижения горных пород принятого к отработке участка месторождения А₁А₂А ₃A₄ создают (разбивают) наблюдательную сеть, состоящую из n профилей. Количество профилей n определяют на основе как принципов планирования эксперимента (см., например: Руководство для инженеров по решению задач теории вероятностей (под ред. Свешникова А.А.) Промгиз, Л., 1962; Афифи А.А., Эйзен С.П. Статистический анализ. М., Мир, 1982; Вентцель Е.С. Теория вероятностей. ФМ, 1962; Смирнов М.В., Дунин-Барковский И.В. Краткий курс математической статистики для технических приложений. ФМ, 1959; Смирнов Н.В., Белугин Д.А. Теория вероятностей и математическая статистика в приложении к геодезии. М., Недра, 1969), так и с учетом проектных планов развития очистной добычи в пределах шахтного поля калийного месторождения 2. По каждому профилю n (на выбранную "единицу" его длины) выбирают (так же методом планирования эксперимента) количество фиксированных замеров n ₀ для фиксации характерных концентраций ⁴⁰Ar. Параметры n и n₀ устанавливают для условий отклонения регистрируемых характерных концентраций ⁴⁰Ar от среднестатистического характерного значения концентрации ⁴⁰Ar со средним отклонением не более ˜0,25% объема. Параметр n характеризует "пространственную категорию" измерения характерных значений концентраций ⁴⁰Ar. "Временная категория" отвечает организации характерных замеров ⁴⁰Ar,% объема применительно к характерным климатическим условиям конкретного региона расположения калийного месторождения (летним, осенним и т.д.) Влияние этой "категории" на параметр концентрации ⁴⁰Ar при необходимости периодически уточняется. После этого с использованием метода лазерной спектроскопии осуществляют последовательное измерение и анализ проб воздуха из приземного слоя атмосферы на ⁴⁰Ar (т.е. устанавливают характерные концентрации ⁴⁰Ar в приземном слое воздуха (˜10÷50 см)). По измеренным характерным концентрациям ⁴⁰Ar,% объема рассчитывают среднестатистическую характерную концентрацию ⁴⁰Ar для данного месторождения с заданным уровнем отклонения от измеренных значений и достаточно высокой вероятностью их получения, связанной в основном с числом замеров.

При отработке запасов калийного месторождения 2 мониторинг состояния ВЗТ 1 после установления (расчета) характерной среднестатистической концентрации ⁴⁰Ar на шахтном поле осуществляют с числом фиксированных замеров n₀, число которых может изменяться в зависимости от ситуации, определяемой как факторами техногенными, так и природными (геологическими). Техногенные факторы - это факторы, определяемые горно-геомеханическими условиями (направление развития очистных работ в пределах шахтного поля, глубины разработки Н, способов управления горным давлением в выработках, временные параметры ведения очистных работ и др.), дающие - при выполнении соответствующего геомеханического анализа - возможность программирования частоты (и площадей) проведения мониторинга состояния ВЗТ. Природные факторы, например, характеризующие условия ведения работ в зонах "приближения" к геологическим аномалиям - определяют частоту наблюдений за состоянием ВЗТ, но также на базе выполненного для таких участков геомеханического обоснования, увязанного с параметрами ведения здесь очистных работ.

При фиксации характерных концентраций ⁴⁰Ar, % объема больше характерной среднестатистической концентрации после начала отработки запасов месторождения (калийного пласта 2) очистную выемку останавливают и выполняют горно-геомеханические исследования применительно к конкретному участку с запрогнозированной аварийной ситуацией и разрабатывают горнотехнические мероприятия, исключающие затопление всего шахтного поля калийного рудника (отработанного пространства 3). Последнее реализуется на базе анализа прогнозных состояний ВЗТ 1 в зонах, определяемых техногенными факторами. Для таких зон строят горно-геомеханические модели (расчетные схемы), прогнозно оценивается напряженно-деформированное состояние налегающей толщи пород, включающей ВЗТ, и делается вывод о целесообразности (нецелесообразности) наличия в таких зонах дополнительных профилей (сверх n, устанавливаемых на базе принципа планирования эксперимента). После этого разрабатывают горнотехнические мероприятия, исключающие затопление всего шахтного поля калийного рудника.

Применение данного способа контроля состояния водозащитной толщи на месторождениях калийных солей обеспечивает следующие преимущества:

- упрощение операций способа;

- снижение стоимости контроля;

- снижение трудоемкости проведения работ по контролю за состоянием ВЗТ;

- повышение безопасности проведения работ за счет более оперативного контроля.